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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks
mit einer Werkzeugmaschine mit einem Bearbeitungskopf und Stelleinrichtungen
zum werkzeugseitigen Einstellen des Bearbeitungskopfes, bei dem
werkzeugseitig Zustandsgrößen erfasst werden.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine
zur Durchführung des Verfahrens.
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Es
sind Werkzeugmaschinen zur spanenden Bearbeitung eines Werkstückes
bekannt, mit denen beispielsweise Bohr-, Fräs- und auch
Dreharbeiten an dem Werkstück ausgeführt werden
können. Dabei verbleiben die Werkstücke für
die unterschiedlichen Bohr-, Dreh- und Fräsarbeiten beispielsweise
in einer Aufspannung auf einem Werkstücktisch. Das Werkzeug,
z. B. ein Bohrer, ein Fräser oder ein Drehmeisel, ist in
einem motorisch auf einem Ständer der Werkzeugmaschine
verfahrbaren Bearbeitungskopf gehalten. Der Bearbeitungskopf (auch
Spindelkopf genannt) weist dabei üblicherweise eine angetriebene
Spindel und ein Spannfutter auf, wobei am Ende der Spindel im Spannfutter
ein Antrieb angeordnet ist. Zum Bearbeiten des Werkstücks
werden der Bearbeitungskopf und/oder das Werkstück mittels
der Stelleinrichtungen anhand von mittels einer numerischen Steuerung
ermittelten Bewegungsbahnen zueinander geführt. Je nach
Ausführungsart kann das Werkstück oder das Werkzeug
feststehen oder können beide motorisch verfahrbar sein.
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Bei
der spanenden Bearbeitung des Werkstücks, z. B. von kubischen
Bauteilen und Freiformflächen, mit einem Werkzeug mit geometrisch
bestimmter Schneide (z. B. Drehen, Bohren, Fräsen) kann
es beispielsweise aufgrund von Werkzeugverschleiß, Bauteil-
und/oder Werkzeugschwingungen zu Prozessinstabilitäten
kommen, welche zu unzulässigen Abweichungen der Maß-,
Form- und/oder Lagetoleranzen des Werkstücks und der zugehörigen
Oberflächen führen. Insbesondere bei Zerspanungsoperationen
mit Hochgeschwindigkeitszerspanung können die zuvor genannten
Prozessinstabilitäten dazu führen, dass die gefertigten
Werkstücke vorgebbaren Qualitätsanforderungen
nicht genügen (= Ausschuss, Nacharbeit). Häufig
werden die während der Bearbeitung erzeugten "Fehler" erst
in der nachfolgenden Qualitätssicherung erkannt und die
kostenintensiv hergestellten und fehlerhaften Werkstücke
später aussortiert bzw. nachgearbeitet. Darüber hinaus
kann es infolge von Prozessinstabilitäten zu großen
mechanischen und/oder thermischen Beanspruchungen der Werkzeugmaschine
kommen, welche gegebenenfalls zu einem Maschinenstillstand führen.
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Um
das Risiko von fehlerhaften gefertigten Werkstücken und/oder
ungewollten Maschinenstillstandszeiten zu mindern, ist es bekannt,
die Werkzeugmaschine auf beispielsweise Kriterien wie Werkzeugbruch
oder Werkzeugverschleiß zu überwachen. Zur Vermeidung
von fehlerhaft gefertigten Werkstücken ist es bekannt,
die Werkzeugmaschine mit Sensoren zur Erfassung von Relativbewegungen zwischen
dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück zu versehen. Dabei
sind diese Sensoren üblicherweise in den Stelleinrichtungen
integriert, so dass eine Messung von relevanten Messgrößen
nicht unmittelbar in der Bearbeitungszone erfolgt.
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Aus
der
DE 10 2004
033 119 A1 ist ein Regelungsverfahren für eine
Werkzeugmaschine mit numerischer Steuerung bekannt, bei welchem
in wenigstens einer Zusatzsensorik Zustandsgrößen
erfasst werden, welche der Beschreibung der Relativbewegung zwischen
Bearbeitungskopf und Werkstück dienen, wobei die Zustandsgrößen
bei dem Ermitteln für den Wert für die Relativbewegung
berücksichtigt werden. Dabei ist das Verfahren auf die
Regelung der Positionierung des Bearbeitungskopfes zum Werkstück
begrenzt. Als Zustandsgrößen werden eine Temperatur,
eine Neigung, eine Winkelgeschwindigkeit, eine Winkelbeschleunigung,
eine axiale Beschleunigung in wenigstens eine Richtung erfasst und
zur Bestimmung des Wertes für die Relativbewegung berücksichtigt.
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Aus
EP 1 329 289 B1 ist
ein Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstücken unter
Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung, die eine Werkzeugspindel
und eine numerisch gesteuerte Zustelleinrichtung aufweist, bekannt.
Dabei wird die Zustellbewegung der Spindel mittels eines Kraft geregelten Verfahrens
ausgeführt, indem die Werkzeugspindel bis Erreichen eines
Messsignals einer Kraftmesseinrichtung zugestellt wird. Auch dieses
Verfahren ist auf die Regelung der Zustellbewegung begrenzt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bearbeitung
eines Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine anzugeben,
welches eine Werkzeug- und Prozessüberwachung ermöglicht,
so dass Maschinenstillstandszeiten reduziert und/oder die Qualität
der gefertigten Werkstücke verbessert werden kann. Darüber
hinaus ist eine besonders geeignete Werkzeugmaschine anzugeben.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Werkzeugmaschine
wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 7.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung eines
Werkstücks in einer Werkzeugmaschine mit einem Bearbeitungskopf
und Stelleinrichtungen zum werkzeugseitigen Einstellen des Bearbeitungskopfes
zum Werkstück werden werkzeugseitig als Zustandsgrößen
am Bearbeitungskopf mindestens eine Kraft, insbesondere eine Zerspankraft, Vorspannkraft
und/oder Andrückkraft im kartesischen, insbesondere räumlichen
kartesischen Koordinatensystem, ein Drehmoment und eine Schwingungen
des Bearbeitungskopfes repräsentierende Beschleunigung
im kartesischen, insbesondere räumlichen kartesischen Koordinatensystem
ermittelt und analysiert. Durch Überwachung und Analyse
von Werkzeugzustandsgrößen, wie Zerspankraft,
Drehmoment, Andrückkraft im Bearbeitungskopf und somit
weitgehend nah am Bearbeitungsbereich von Werkzeug und Werkstück
sind über allgemein erfasste und bekannte Zustandsgrößen,
wie Werkzeugbruch, Werkzeugbewegung und -positionierung hinausgehende
Prozess- und Maschinenzustandsüberwachungen ermöglicht,
welche zur Steigerung der Maschinenverfügbarkeit und der
Qualität der gefertigten Werkstücke sowie zur
Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Fertigungsprozesses
im Rahmen einer echtzeitfähigen und schnellen Fehler- und
Prozessdiagnose verwendet werden. Hierdurch können vorbeugende
Instandhaltungsmaß nahmen und aufgrund der schnellen Fehlerdiagnose
dynamische Anpassungen von Werkzeugzustandsgrößen
eingeleitet werden, so dass eine Senkung von Ausschuss und Nacharbeit
zur Steigerung der Werkstückqualität und somit
zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Fertigungsprozesses erzielt
wird.
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Im
Sinne der Erfindung wird unter Einstellen des Bearbeitungskopfes
das Einstellen von rotierenden und translatorischen Betriebsparametern
des Bearbeitungskopfes, insbesondere einer Spindel, z. B. die Vorschubgeschwindigkeit
bzw. Vorschubbeschleunigung, das Positionieren und/oder Ausrichten des
Bearbeitungskopfes verstanden. Unter Zerspankraft werden insbesondere
diejenigen Kräfte, z. B. Trennkräfte, Kräfte
bezüglich Reibung, Spanverformung, Spanbeschleunigung,
Spanabriss, verstanden, die am Werkzeug wirken und auf die Spanabnahme
zurückzuführen sind. D. h. die Zerspankraft ist die
Resultierende aller am Werkzeug angreifenden Kräfte – sowohl
der aus der eigentlichen Spanbildung (= Zerspanprozess) resultierenden
Kräfte und der überlagerten Kräfte aus
beispielsweise der Spindel- oder Achsantriebsdynamik. Die Zerspankraft
und ihre Komponenten beeinflussen dabei die Verschleißbildung
des Werkzeugs und die Werkstückqualität; sie belasten
Werkzeuge, Lager, Wellen und andere Maschinenteile, die entsprechend
ausgelegt werden müssen. Darüber hinaus kann die
Zerspankraft bei periodischem Kraftangriff, z. B. bei rotierendem
Werkzeug, unerwünschte Schwingungen verursachen. Unter
dem Drehmoment wird im Sinne der Erfindung insbesondere das auf
das rotierende Werkzeug, insbesondere um die Spindelachse wirkende
Drehmoment verstanden. Als Beschleunigungen werden insbesondere
durch dynamische Kraftschwankungen hervorgerufene Schwingungen oder Vibrationen
des Werkzeugs verstanden und erfasst. Dabei können gegebenenfalls
veränderliche Beschleunigungen, wie sie z. B. bei Schwing-
oder Stoß vorgängen des Werkzeuges auftreten können, berücksichtigt
werden.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der zeitliche
Verlauf der erfassten und ermittelten Zustandsgrößen
bestimmt und analysiert. Dabei können sowohl die Momentanwerte
der Zustandsgrößen als auch in der Vergangenheit
erfasste und somit vorangegangene Werte der Zustandsgrößen
sowie daraus abgeleitete weitere Parameter und/oder prognostizierte
Werte der Zustandsgrößen ermittelt und ausgegeben
werden. Insbesondere erfolgt die Ausgabe in graphischer Form, so
dass eine schnelle und einfache Analyse der erfassten Daten und
Werte der Zustandsgrößen ermöglicht ist.
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Vorzugsweise
werden die ermittelten Zustandsgrößen zur adaptiven
Regelung einer Führungsgröße des Bearbeitungskopfes
verwendet. Durch die Erfassung der Zustandsgrößen
im Bearbeitungsbereich der Werkzeugmaschine und somit geometrisch
nah an der Wirkstelle des Zerspanprozesses ist eine weitgehend echtzeitnahe
Regelung der Führungsgröße möglich.
Vorzugsweise wird anhand der Zustandsgrößen als
Führungsgröße des Bearbeitungskopfes
eine rotierende Betriebsgröße und/oder eine translatorische
Betriebsgröße, insbesondere dessen Drehzahl, insbesondere
die Spindeldrehzahl und/oder Vorschubgewindigkeit adaptiv geregelt.
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Zur
Berücksichtigung von am Werkzeug auftretenden Schwingungen
und/oder Vibrationen und zur Vermeidung von Resonanzen wird anhand
der ermittelten Beschleunigung vorzugsweise die Drehzahl, insbesondere
die Spindeldrehzahl adaptiv geregelt.
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Alternativ
oder zusätzlich zur Zerspankraft kann als Zustandsgröße
auch eine Vorspannkraft, Klemmkräfte und/oder ei ne Andrückkraft
ermittelt werden. Unter Vorspannkraft werden insbesondere die in
Verbindung mit der Werkzeugbefestigung im Bearbeitungskopf und/oder
die in Verbindung mit der Kopfbefestigung in der Werkzeugmaschine
auftretenden Kräfte verstanden. Unter Klemmkräfte
werden insbesondere die in Verbindung mit dem Bearbeitungsprozess
des Werkstücks durch das Werkzeug auftretenden Kräfte
verstanden, welche beispielsweise beim Verklemmen des rotierenden
Werkzeugs am Werkstück auftreten können. Unter
Andrückkraft werden insbesondere die in Verbindung mit
dem Bearbeitungsprozess des Werkstücks auftretenden Druckkräfte
verstanden.
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Darüber
hinaus wird der Bearbeitungsprozess, d. h. der Zerspanprozess, von
Störgrößen beeinflusst, welche bei der
Analyse und/oder Regelung des Zerspanprozesses zu berücksichtigen
sind. Hierzu werden vorteilhafterweise als Störgröße
mindestens eine Fliehkraft, eine Temperatur und/oder Ausdehnungen
des Bearbeitungskopfes erfasst und kompensiert. Unter Fliehkräfte
werden dabei insbesondere die am rotierenden Werkzeug und/oder Bearbeitungskopf
auftretenden Kräfte verstanden. Zur Beurteilung der Auswirkungen
von thermischen Beanspruchungen der Werkzeugmaschine während des
Zerspanprozesses wird vorzugsweise als Temperatur eine unmittelbar
an der Wirkstelle der Zerspanung im Bearbeitungskopf auftretende
Temperatur erfasst und insbesondere deren zeitlicher Verlauf bestimmt
und analysiert. In Kombination mit der Temperaturmessung oder auch
separat werden darüber hinaus als Ausdehnungen des Bearbeitungskopfes insbesondere
Längenänderungen des Bearbeitungskopfes bestimmt,
welche durch thermische und/oder mechanische Beanspruchungen verursacht
sein können.
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Hinsichtlich
der Werkzeugmaschine umfasst diese einen Bearbeitungskopf und eine
numerische Steuerung sowie Stellein richtungen zum werkstückseitigen
und/oder werkzeugseitigen Einstellen des Werkstücks bzw.
des Bearbeitungskopfes und Sensoren zur werkstückseitigen
und/oder werkzeugseitigen Erfassung von Zustandsgrößen,
die der numerischen Steuerung zuführbar sind, wobei kopfseitig
ein Mehrkomponentenmesssystem integriert ist, das als werkzeugseitige
Zustandsgrößen am Bearbeitungskopf mindestens
eine Kraft, insbesondere Zerspankräfte, Vorspannkräfte,
Andrückkräfte im kartesischen, insbesondere im
räumlichen kartesischen Koordinatensystem, ein Drehmoment
und eine Beschleunigung im kartesischen Koordinatensystem ermittelt
und diese der numerischen Steuerung zur Analyse und Ausgabe zuführt.
Dabei ist das Mehrkomponentenmesssystem vorzugsweise geometrisch
nah am Bearbeitungsbereich und somit an der Wirkstelle des Zerspanprozesses
angeordnet und im Hauptkraftfluss des Werkzeugs, insbesondere in
ein Lager oder Flansch im Hauptkraftfluss des Werkzeugs, insbesondere
des Bearbeitungskopfes integriert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mehrkomponentenmesssystem
im Spindelfestlager zwischen Bearbeitungskopf und Spindelgehäuse integriert.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Mehrkomponentenmesssystem
als ein Messring ausgebildet, in welchen eine vorgebbare Anzahl
von Beschleunigungssensoren und eine vorgebbare Anzahl von piezoelektrischen
Sensorelementen integriert sind. Zur Analyse und/oder Überwachung
der mittels der Sensoren erfassten Zustandsgrößen
ist das Mehrkomponentenmesssystem mit der numerischen Steuerung
verbunden. Darüber hinaus kann die numerische Steuerung
mindestens eine adaptive Regelung zur Regelung einer Führungsgröße
des Bearbeitungskopfes anhand einer der ermittelten Zustandsgrößen
umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die numerische
Steuerung min destens einen Drehzahlregler zur Regelung der Spindeldrehzahl
in Abhängigkeit von der erfassten Beschleunigung umfassen.
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Je
nach Vorgabe und Umfang der Analyse und Überwachung des
Zerspanprozesses bzw. des Werkzeugmaschinenzustandes können
weitere Sensoren, z. B. mindestens ein Temperatursensor, ein Dehnungsmesssensor,
ein Drehzahlsensor, ein Abstandssensor und/oder ein Drehmomentmesssensor im
Mehrkomponentenmesssystem integriert sein.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 schematisch
ein System zur Überwachung und Analyse eines Zerspanprozesses
einer Werkzeugsmaschine, umfassend eine numerische Steuerung und
ein mit dieser verbundenes Mehrkomponentenmesssystem, das in einem
Bearbeitungskopf der Werkzeugmaschine integriert ist,
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2 schematisch
im Längsschnitt den Bearbeitungskopf mit integriertem Mehrkomponentenmesssystem
gemäß 1 im Detail,
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3 schematisch
im Querschnitt das Mehrkomponentenmesssystem gemäß 1 oder 2 im
Detail, und
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4 schematisch
in Blockdarstellung ein Ausführungsbeispiel für
eine Regelung des Zerspanprozesses unter Berücksichtigung
von mittels des Mehrkomponentenmesssystems erfassten Zustandsgrößen
und/oder Störgrößen.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
schematisch ein System 1 zur Überwachung und Analyse
eines Bearbeitungsprozesses, insbesondere Zerspanprozesses einer Werkzeugsmaschine 2.
Die Werkzeugmaschine 2 ist beispielsweise eine Bohr-, Dreh-
oder Fräsmaschine, welche ein Werkstück 3 in
vorgegebener Art und Weise automatisch bearbeitet. Dabei kann das
Werkstück 3 in nicht näher dargestellter
Art und Weise auf einem Werkstücktisch motorisch verfahrbar
oder fest gehalten, insbesondere aufgespannt sein.
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Die
Werkzeugmaschine 2 umfasst zumindest eine numerische Steuerung 4 und
einen Antrieb 5 für einen Bearbeitungskopf 6,
der an einem Spindelgehäuse 7 gehalten ist. Zur
Bearbeitung des Werkstücks 3 ist ein Werkzeug 8,
z. B. ein Bohrer, ein Meisel, kopfseitig im Bearbeitungskopf 6 in
einer nicht näher dargestellten Spanneinrichtung gehalten. Zur
Positionierung des Bearbeitungskopfes 6 in Bezug auf das
zu bearbeitende Werkstück 3 umfasst die Werkzeugmaschine 2 mehrere
Stelleinrichtungen 9.1 bis 9.n. Die numerische
Steuerung 4 ist hierzu mit den Stelleinrichtungen 9.1 bis 9.n verbunden.
Beispielsweise können diese über eine Datenübertragungseinheit 10,
z. B. drahtgebunden oder drahtlos, z. B. einen Datenbus, insbesondere
einen Ethernet-Bus, einen Feldbus oder eine Funkverbindung, verbunden
sein und Daten, wie z. B. Steuer- und/oder Regelungssignale, Zustandssignale
austauschen. Die numerische Steuerung 4 ist beispielsweise
als eine speicherprogrammierbare Steuerung oder eine andere geeignete
Datenverarbeitungseinheit ausgeführt.
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Zur Überwachung
des Bearbeitungsprozesses, insbesondere eines Zerspanprozesses ist
der Bearbeitungskopf 6 mit einem Mehrkomponentenmesssystem 11 versehen,
welches bevorzugt geometrisch nah am Bearbeitungsbereich der Werkzeugmaschine 2 in
den Bearbeitungskopf 6 integriert ist. Zur Überwachung
sowohl des Bearbeitungsprozesses als auch des Werkzeugmaschinenzustandes umfasst
das Mehrkomponentenmesssystem 11 eine vorgebbare Anzahl
von Sensoren 12.1 bis 12.m. Zur Analyse und Überwachung
von mittels der Sensoren 12.1 bis 12.m erfassten
Momentunwerten von betreffenden Zustandsgrößen
Z.1 bis Z.m ist das Mehrkomponentenmesssystem 11 über
eine zugehörige Verbindung 13, drahtlos, z. B. über
eine Funk- oder Infrarotverbindung, oder drahtgebunden, z. B. über einen
Datenbus, mit der numerischen Steuerung 4 verbunden. Darüber
hinaus können weitere Sensoreinheiten 14 zur Erfassung
weiterer Zustandsgrößen und/oder Betriebsgrößen
der Werkzeugmaschine 2, des Werkstücks 3 und/oder
der Stelleinrichtungen 9.1 bis 9.n an entsprechend
geeigneten Positionen in oder an der Werkzeugmaschine 2 bzw.
dem Werkstück 3 bzw. den Stelleinrichtungen 9.1 bis 9.n angeordnet
sein.
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Zur Überwachung,
Analyse, Diagnose und/oder Prognose der mittels der Sensoren 12.1 bis 12.m und/oder
der Sensoreinheiten 14 erfassten Zustandsgrößen
Z.1 bis Z.m bzw. von Betriebsgrößen und/oder Störgrößen
S.1 bis S.z umfasst die numerische Steuerung 4 ein Analysemodul 15,
das gegebenenfalls mit einer Auswerteeinheit 16 verbunden
ist. Je nach Ausbildung kann die Auswerteeinheit 16 auch
als ein Modul in der numerischen Steuerung 4 integriert
sein. Bevorzugt können die ermittelten Werte der Zustandsgrößen
Z.1 bis Z.m sowie deren zeitlicher Verlauf graphisch und/oder alphanumerisch und/oder
in einer anderen geeigneten Form ausgegeben. Insbesondere zur Analyse
des zeitlichen Verlaufs der erfassten Zustandsgrößen
Z1 bis Z.m können deren Momentunwerte in einer Speichereinheit 17 der
numerischen Steuerung 4 und/oder der Auswerteeinheit 16 oder
in einer nicht näher dargestellten externen Speichereinheit
für spätere Diagnosen gespeichert werden.
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Zur
Berücksichtigung der mittels des Mehrkomponentenmesssystems 11 erfassten
Zustandsgrößen Z.1 bis Z.m beim Bearbeitungsprozess
umfasst die numerische Steuerung 4 ein Reglermodul 18 zur
Regelung des Zerspanprozesses. Darüber hinaus kann die
numerische Steuerung 4 weitere Steuer- und/oder Reglermodule
umfassen, welche entsprechende Steuersignale SS an die Stelleinrichtungen 9.1 bis 9.n der
Werkzeugmaschine 2 übertragen. Beispielsweise
kann die numerische Steuerung 4 einen Drehzahlregler 19 zur
Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl n des Bearbeitungskopfes 6, insbesondere
einer im Spindelgehäuse 7 angeordneten Spindel 7.1 (siehe 2).
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2 zeigt
schematisch im Längsschnitt den Bearbeitungskopf 6 mit
integriertem Mehrkomponentenmesssystem 11 gemäß 1 im
Detail. Der Bearbeitungskopf 6 umfasst eine Verspanneinrichtung
VE zum Aufnehmen und Halten des Werkzeugs 8. Im Bereich
der Wirkstelle des Zerspanprozesses und weitgehend nah am Bearbeitungsbereich des
Werkzeugs 8 und somit nah zur Verspanneinrichtung VE ist
das Mehrkomponentenmesssystem 11 in eine Aufnahme 20,
z. B. in eine Aufnahme in einem Lager oder Flansch des Bearbeitungskopfes 6,
z. B. in einem Lagerflansch, einem Spindellager oder einem Spindelflansch,
integriert. Mittels des Mehrkomponentenmesssystems 11 können
die Zustandsgrößen Z.1 bis Z.m nahe am Bearbeitungsbereich
erfasst und somit zur echtzeitnahen Regelung herangezogen werden.
Hierdurch kann auf Störeinflüsse (Effekte/Prozessinstabilitäten)
besonders genau und sicher reagiert und diesen insbesondere automatisch entgegen
gewirkt werden, so dass der Bearbeitungsprozess stabilisiert werden
kann.
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Zur
messtechnischen Erfassung der Zustandsgrößen Z.1
bis Z.m oder physikalischen Größen ist das Mehrkomponentenmesssystem 11 als
ein hoch auflösendes, sensibles Messsystem ausge führt,
um insbesondere bestimmte Bearbeitungsaufgaben, z. B. so genanntes
HSC-Schlichtfräsen von labilen Bauteilkonturen oder zur
Erzeugung von so genannten "Class-A"-Bauteiloberflächen,
zu ermöglichen. Diesen Anforderungen werden die heutzutage gängigen,
steuerungsintegrierbaren Messsysteme nicht gerecht, da sie auf dem
Prinzip der Wirkleistungsüberwachung ("Motorstromregelung")
basieren und hauptsächlich nur auf die Maschinenspindel
beschränkt sind. Diese Systeme können besonders
bei geringen Zerspankräften nicht mehr zwischen Kräften,
die aus der eigentlichen Spanbildung (= Zerspanprozess) resultieren
und dazu überlagerten Kräften aus z. B. der Spindel-
bzw. Achsantriebsdynamik unterscheiden. Hierzu ist das Mehrkomponentenmesssystem 11 als
ein spindelintegriertes Kraft-/Drehmoment- und Beschleunigungsmeßsystem
ausgebildet.
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3 zeigt
schematisch im Querschnitt und im Detail das Mehrkomponentenmesssystem 11 gemäß 1 oder 2.
Das Mehrkomponentenmesssystem 11 ist dabei zur Integration
in der Aufnahme 20 bevorzugt als ein Messring 21,
z. B. ein Metallring ausgeführt, in welchen eine vorgebbare Anzahl
von piezoelektrischen Sensoren 12.1 bis 12.16 und
eine vorgebbare Anzahl von Beschleunigungssensoren 12.17 bis 12.20.
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Die
piezoelektrischen Sensoren 12.1 bis 12.16 dienen
insbesondere der Erfassung von Zerspankräften FZx, FZy,
FZz im räumlichen kartesischen Koordinatensystem, wobei
acht Sensoren zur Messung der Zerspankräfte in z-Richtung
und jeweils vier Sensoren zur Messung der Zerspankräfte
in x- oder y-Richtung vorgesehen sind. Anhand der Überwachung
der Momentanwerte der als Zustandsgrößen Z.1 bis
Z.16 erfassten Zerspannkräfte FZx, FZy, FZz und/oder des
zeitlichen Verlaufs der erfassten Werte können Aussagen über
die Verschleißbildung, Lager-/Spindelschäden,
Spindelbelastung, Spindelverfüg barkeit, Spindelzustand,
zu erwartende Werkstückqualität gemacht werden.
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Anhand
von mittels der Beschleunigungssensoren 12.17 bis 12.20,
z. B. piezoelektrische Beschleunigungssensoren, erfassten Momentanwerten von
Beschleunigungen Bx, By, Bz und deren zeitlichen Verlauf können
Lagerschwingungen, Lagervibrationen und/oder Lagererschütterungen
in axialer und radialer Richtung und somit in x-, y- und z-Richtung
bestimmt und analysiert werden. Daraus resultierend kann eine Aussage über
Verschleißbildung, Lager-/Spindelschäden, Spindelbelastung,
Spindelverfügbarkeit, Spindelzustand und/oder zu erwartende
Werkstückqualität gemacht werden.
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Darüber
hinaus ist mindestens ein Drehmomentsensor 12.22, z. B.
so genannte Oberflächen-Resonatoren zur Dehnungsmessung,
eine Spindel-Wirkleistungsüberwachungseinheit oder andere
geeignete Sensoren, zur Erfassung des auf der rotierenden Spindelachse
wirkenden Drehmoments M als eine weitere Zustandsgröße
Z.22 im Mehrkomponentenmesssystem 11 integriert.
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Für
eine möglichst genaue Messung der Zustandsgrößen
Z.1 bis Z.m werden das Mehrkomponentenmesssystem 11 und
deren integrierte Sensoren 12.1 bis 12.m bei der
Montage kalibriert und gegebenenfalls nach dem Einbau nochmals kalibriert.
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Um
die den Bearbeitungsprozess und den Werkzeugmaschinenzustand beeinflussenden
Beanspruchungen, z. B. mechanische und/oder thermische Beanspruchungen,
bei der Ermittlung der Messdaten der integrierten Sensoren 12.1 bis 12.m zu
berücksichtigen, können die Beanspruchungen repräsentierende
Störgrößen S.1 bis S.z mittels weiterer Sensoreinheiten 14 und/oder
weiterer im Mehrkomponentenmesssystem 11 integrier ter Sensoren 12.23 bis 12.m erfasst
werden. Beispielsweise treten aufgrund einer Integration des Mehrkomponentenmesssystems 11 in
Nähe des Spindelfestlagers verschiedene Störkräfte
FSx bis FSz auf, die die Zerspankräfte FZx, FZy, FZz überlagern.
Dabei handelt es sich z. B. um Flieh- oder Trägheitskräfte
FTx bis FTz, thermische Dehnungen dL und piezoelektrisches Driftverhalten
eines Ladungsverstärkers. Damit ein möglichst
störfreies Schnittkraftsignal für die Regelung realisiert
werden kann, können einige Kompensationsstrategien eingesetzt
werden. Die Trägheitskräfte FTx bis FTz sind Kräfte,
welche durch die Beschleunigung Bx, By der Spindelmasse m (hier
vornehmlich in x- und y-Richtung) entstehen und dem zu messenden
Zerspankraftsignal FZx bis FZz überlagert sind. Sie lassen
sich mit Hilfe der Beschleunigungssignale Bx, By näherungsweise
bestimmen. Durch empirische Bestimmung der "wirksamen" Spindelmasse mwirksam können diese z. B. gemäß folgender
Gleichung: FT =
mwirksam·α [1]bestimmt
und von den gemessenen Zerspankraftsignalen FZx bis FZz abgezogen
werden. Diese Vorgehensweise ist sowohl im Regelungsbetrieb (= so
genannter "In-Prozess" mit adaptiver Regelung) oder "Offline" durch
die Signalerfassung in einem Lernschritt und anschließender
Signalverrechnung möglich.
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Ferner
können als weitere Sensoren 12.m in nicht näher
dargestellter Art und Weise ein Temperatursensor, z. B. ein Thermoelement,
ein Widerstandstemperaturfühler, ein Heißleiter,
ein Strahlungsthermometer, an geeigneter Position vorgesehen und/oder
im Mehrkomponentenmesssystem 11 integriert sein. Hierdurch
kann die thermische Beanspruchung des Bearbeitungs kopfes 6,
insbesondere der Spindel 7.1 und/oder des Werkzeugs 8 bestimmt werden.
Ferner kann ein Dehnungsmesser, z. B. ein Dehnungsmessstreifen,
Abstandssensoren zur Bestimmung von Spindelverlagerungen und Unwuchtungen,
ein Drehzahlsensor zur Ermittlung der Spindeldrehzahl n vorgesehen
sein, deren Werte der numerischen Steuerung 4 zur Drehzahlregelung und/oder
Steuerung und/oder Regelung anderer Prozessgrößen
oder Zustandsgrößen Z und/oder zur Kompensation
von Störgrößen S zuführbar sind.
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4 zeigt
schematisch in Blockdarstellung ein Ausführungsbeispiel
für eine Regelung des Zerspanprozesses unter Berücksichtigung
der mittels des Mehrkomponentenmesssystems 11 erfassten und
oben beschriebenen Zustandsgrößen Z.1 bis Z.m
und/oder Störgrößen S.1 bis S.z.
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Zum
Einsatz eines Regelungssystems, dass echtzeitnah auf Prozessstörungen
(Störgrößen S.1 bis S.z und somit Prozessinstabilitäten)
reagiert, ist eine Rückführung von gemessenen
Zustandsgrößen Z.1 bis Z.m, z. B. der Spindeldrehzahl
n und/oder der Vorschubgeschwindigkeit v, notwendig. Dabei werden
Sollwerte SWn und SWv der Spindeldrehzahl n und der Vorschubgeschwindigkeit
v dem Regelungssystem als Führungsgröße
xe zugeführt. Über ein
Differenzglied 22 wird die Regeldifferenz xd aus
den Sollwerten SWn und SWv und den Momentan- oder Istwerten IWn
und IWv der Spindeldrehzahl n und der Vorschubgeschwindigkeit v
gebildet und einem Regler 23 zugeführt. Die Regeldifferenz
xd wird anhand eines vorgegebenen Regelalgorithmus
zu einem Stellwert u verarbeitet, der anhand von aktiven Steuerungs-
und/oder Regelungsprogrammen 24 (= Regelstrecke) z. B.
zur Einstellung und/oder Anpassung von Betriebsparametern der Werkzeugmaschine 2 mittels
der Stelleinrichtungen 9.1 bis 9.n verarbeitet wird,
wodurch der Bear beitungsprozess und/oder der Werkzeugmaschinenzustand
stabilisiert werden kann.
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Im
vorliegenden Fall erfolgt die Regelung über die adaptive
Anpassung der Spindeldrehzahl n und der Achsvorschubgeschwindigkeiten
v. In beiden Fällen werden als erfasste Zustandsgrößen
Z.1 bis Z.m zumindest die Zerspankräfte Fx bis Fz, das
Spindeldrehmoment M und die Beschleunigung B sowie die momentane
Spindeldrehzahl IWn und die momentane Achsvorschubgeschwindigkeit
IWv im Messglied 25 – dem Mehrkomponentenmesssystem 11 und/oder
weiterer Sensoren – erfasst und vom Regelalgorithmus bei
der adaptiven Regelung verarbeitet und berücksichtigt,
so dass über den Regler 23 das laufende Steuerungs-
oder Regelungsprogramm 24 (z. B. ein CNC-Bearbeitungs-Programm)
angepasst wird. Bei dem Regelalgorithmus handelt es sich um einen
herkömmlichen Regelalgorithmus, der beispielsweise auf
der bekannten Soll-Schnittkraftregelung durch Drehzahl- und Vorschubmodulation
basiert.
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Zusätzlich
kann zur Vermeidung des so genannten regenerativen Ratterns die
Drehzahlregelung 19 eingesetzt werden, die in einer festgelegten Bandbreite
zur eigentlichen Ratterfrequenz die Spindeldrehzahl n variiert.
Hierzu wird das Signal der Schwingfrequenzen oder Beschleunigungen
Bx bis Bz in kartesischen Koordinaten vom zugehörigen Drehzahlregler 19 verarbeitet.
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Darüber
hinaus können die oben beschriebenen Störgrößen
S.1 bis S.z, wie z. B. Schwingungen, Trägheitskräfte
FT, thermische Dehnungen dL, piezoelektrische Drift, durch Aufschaltung,
beispielsweise mittels entsprechender Additions- oder Differenzglieder 26 und 27,
berücksichtigt, insbesondere kompensiert werden. Beispielsweise
erwärmt sich unter Belastung des Bearbeitungsprozesses
die Motorspindel 7.1. Aus der unsymmetrischen Ausbreitung
dieser Wärmemenge entstehen Schubkräfte FS, die
als weitere Störgrößen S.z vom Mehrkomponentenmesssystem 11 oder
anderen geeigneten Sensoren aufgenommen werden können.
Das interne Spindelkühlsystem führt dabei die
entstehende Wärme in das Kühlwasser ab. Dieses
Temperatur-Zeit-Verhalten entspricht näherungsweise einer Sägezahnfunktion,
die je nach Belastung bei der Zerspanung unterschiedlich große
Intervalle aufweist. Die eingestellte Spindelkühlleistung
verursacht dabei Temperaturunterschiede in einem bestimmten Intervall,
das zu unterschiedlichen Dehnungen dL und damit zu unterschiedlich
hohen Reaktionskräften oder Schubkräfte FSx bis
FSz in x-, y- und z-Richtung am Kraftmessring – dem Mehrkomponentenmesssystem 11 – führt.
Zur erfolgreichen Kompensation dieser Reaktionskräfte muss
das Temperaturverhalten am Mehrkomponentenmesssystem 11 bekannt
sein. Im vorliegenden Fall kann die Temperatur T direkt am Spindellager,
im Vorlauf und im Rücklauf der Spindel 7.1 und/oder
im Mehrkomponentenmesssystem 11 gemessen werden. Aus diesen
Informationen lässt sich das thermische Driftverhalten
bestimmen. Zur Kompensation wird die Änderung der thermisch
hervorgerufenen Schubkräfte FS empirisch (je nach Betriebszustand
der Spindel) bestimmt. Aus einer zugrunde gelegten Kalibrierfunktion
(gemessenes Temperatur-Zeit-Verhalten für den jeweiligen
Betriebszustand), lässt sich die Funktion dieser Störgröße
S.z näherungsweise ermitteln.
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Die
Drift des Ladungsverstärkers wird derzeit durch entsprechende
Wahl einer Zeitkonstanten TC kompensiert und durch einen Reset-Vorgang
eingeleitet. Für eine adaptive Regelung muss dieses piezoelektrische
Driftverhalten automatisch eliminiert werden. Dazu wird eine Verbindung
zwischen der numerische Steuerung 4 und dem Ladungsverstärker eingesetzt.
Die ser Automatismus kann z. B. durch eine Synchronaktion in der
Steuerung, durch einen entsprechenden Befehl im NC-Programm eingeleitet werden.
Hierfür muss zuvor der für die Messung der Kräfte
Fx bis Fz relevante Bereich (zeitlicher und örtlicher Bereich
der Bearbeitungsaufgabe, der überwacht werden soll) bekannt
sein.
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Nachfolgend
werden die Vorteile des oben beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahrens und der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine
näher beschrieben. Durch die werkzeugseitige Messung der
Zustandsgrößen Z.1 bis Z.m ist keine Koordinatentransformation
der erfassten Signale in das für die Zerspanung übliche
Werkzeugkoordinatensystem notwendig. Darüber hinaus sind
keine Veränderungen der Eigenfrequenz durch Materialabtragung
gegeben. Durch die Integration des Mehrkomponentenmesssystems 11 in
der Werkzeugmaschine 2 ist diese für eine fortlaufende Überwachung
auch während des Betriebes der Werkzeugmaschine 2 geeignet. Durch
die kompakte Ausführung des Mehrkomponentenmesssystems 11 und
die Verwendung vorhandener Steuerungs- und Regelungssysteme ist
keine Beschränkung des Arbeitsraums oder Bauraumes gegeben.
Dies führt auch zu keiner negativen Beeinflussung der Massenträgheit
und der Struktursteifigkeit, wie z. B. das bei einem über
die HSK-Schnittstelle aufgesetzten Dynamometer der Fall wäre. Auch
ist ein automatischer Werkzeugwechsel durchführbar.
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Bevorzugt
wird das vorgestellte System zur Entwicklung bzw. Auslegung von
spanenden Bearbeitungsverfahren für die Klein-, Mittel-
und Großserienanwendungen, besonders bei der Prototypenherstellung
verwendet. Auch kann es zur Überwachung von Bearbeitungsprozessen
mit hohem Hauptzeitanteil, bei denen die Bauteilkosten stark durch
die Bearbeitung getrieben werden und geringe Maß-, Form- und
Lagetoleranzen gefordert sind, eingesetzt werden, z. B. bei Fräsbearbeitung
von so genannten Blade Integrated Disks (BLISK), im Großwerkzeugbau, z.
B. Zieh- und Schneidwerkzeuge im Bereich Karosserietechnik (z. B.
einteilige Seitenwand), bei Bearbeitungsprozessen von höherfesten
Werkstoffen mit lang auskragenden Werkzeugen, bei Tieflochbohroperationen
an großen kubischen Bauteilen (z. B. Zylinderkopf).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004033119
A1 [0005]
- - EP 1329289 B1 [0006]